太平哨電站大壩真空激光系統(tǒng)升級(jí)改造探析

郭令娟，沈明波

（國(guó)電電力和禹水電開(kāi)發(fā)公司，遼寧 丹東 118200）

1 工程概述

太平哨水電站地處遼寧省丹東市寬甸縣東部山區(qū)，在渾江干流下游，是渾江干流上的第三座梯級(jí)電站。電站于1976年開(kāi)工，1979年蓄水發(fā)電，1980年底水庫(kù)蓄水至正常高水位。

太平哨水電站由主壩、副壩、引水道、發(fā)電廠房等建筑物組成，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為40.25 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為161 MW，年設(shè)計(jì)平均利用小時(shí)數(shù)為2670 h，多年平均發(fā)電量為4.3億kW·h，電站接入東北電網(wǎng)，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)。電站按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，相應(yīng)洪水位192.8 m；保壩洪水位196.5 m。調(diào)節(jié)庫(kù)容0.19億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。

攔河主壩為直線混凝土重力壩，大壩為II級(jí)建筑物，壩頂高程196.0 m，最大壩高44.0 m，壩長(zhǎng)555.6 m，壩頂寬8 m。大壩從左岸到右岸共分35個(gè)壩段，每個(gè)壩段單寬15 m。3～23號(hào)壩段為溢流壩段，其余為擋水壩段。溢流壩段共計(jì)20個(gè)閘孔，每孔單寬12 m，高10.5 m，消能方式為挑流和面流消能。

為保證電站安全運(yùn)行，電站設(shè)計(jì)時(shí)在各建筑物布置了系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)儀器，其中主壩布置了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用的真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)。

2 真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)概況

主壩布設(shè)有兩條真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)真空激光系統(tǒng)）。系統(tǒng)主要由點(diǎn)光源、真空管道、測(cè)點(diǎn)設(shè)備、接收端激光探測(cè)器、真空探測(cè)設(shè)備、測(cè)控設(shè)備等部分組成。壩頂真空激光系統(tǒng)中心線布置在195.60 m高程、壩軸線下游6.88 m、全長(zhǎng)560 m，33個(gè)測(cè)點(diǎn)，端點(diǎn)設(shè)在兩岸激光室內(nèi)，分別以錨固于基巖深處的倒垂線和雙標(biāo)做基點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)量壩頂水平和垂直位移，該系統(tǒng)于1981年9月投入使用。

176 m高程廊道真空激光系統(tǒng)中心線布置在壩軸線下游3.1 m處，測(cè)點(diǎn)高程177.4 m，全長(zhǎng)424.24 m。自3～29號(hào)壩段每壩段1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共27個(gè)測(cè)點(diǎn)。端點(diǎn)設(shè)在2號(hào)和30號(hào)壩段，分別以倒垂線和雙標(biāo)做基點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)量壩體176 m高程處水平位移和垂直位移，該系統(tǒng)于2005年3月開(kāi)始試運(yùn)行。

真空激光觀測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3 真空激光觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程

3.1 我國(guó)第一條真空激光觀測(cè)系統(tǒng)

為了促進(jìn)我國(guó)的大壩外部變形觀測(cè)技術(shù)逐步向高精度、遙測(cè)自動(dòng)化方向發(fā)展，在原水電部科技司的支持下，1977年初太平哨大壩變形觀測(cè)設(shè)計(jì)方案中，增加了一套真空激光測(cè)壩變形系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)應(yīng)用裝置和科研項(xiàng)目，列入了水電部科研計(jì)劃中。因當(dāng)時(shí)太平哨大壩正在建設(shè)之中，1978—1979年間，在豐滿電站和杭州大學(xué)分別進(jìn)行理論與試驗(yàn)性觀測(cè)，后開(kāi)始在太平哨大壩安裝調(diào)試。安裝時(shí)擋水壩段真空激光管道設(shè)在下游側(cè)電纜溝里，溢流壩段真空激光管道布置在T型梁下，距壩頂下游邊緣1.15 m，全長(zhǎng)約560 m，在1，4，6，10，14，17，20，22，25，27，29，31，33 號(hào)壩段，各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)13個(gè)測(cè)點(diǎn)，管道組成測(cè)點(diǎn)支墩采用混凝土澆筑，測(cè)點(diǎn)箱采用15 mm厚的鐵板焊接而成，測(cè)點(diǎn)箱的尺寸為36 cm×34 cm×32 cm?？赏瑫r(shí)觀測(cè)水平位移和垂直位移。1981年3月建成了我國(guó)第一套真空激光觀測(cè)壩體變形系統(tǒng)，并開(kāi)始了測(cè)試工作，同年9月配套裝置和土建工程全面完工，并結(jié)束了試驗(yàn)觀測(cè)。10月整套裝置正式投入使用。系統(tǒng)投入使用后，整體運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠、精度高。隨著科技的不斷發(fā)展和觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，先后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了多次升級(jí)改造。

表1 太平哨電站真空激光系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)表

3.2 真空激光觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造

系統(tǒng)建成后經(jīng)歷多次升級(jí)改造，改動(dòng)較大的有以下幾次。

激光觀測(cè)系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，但是接收裝置比較簡(jiǎn)陋，采用人工肉眼觀測(cè)，對(duì)作業(yè)人員視力有影響，為了該系統(tǒng)進(jìn)一步完善，并保持先進(jìn)性。于1987年12月，更換人工測(cè)量坐標(biāo)儀；1988年又針對(duì)真空激光系統(tǒng)研制成功了微機(jī)控制基準(zhǔn)點(diǎn)（倒垂、雙標(biāo)）自動(dòng)觀測(cè)儀器，并進(jìn)行了激光自動(dòng)探測(cè)儀的改造。投入使用后，提高激光系統(tǒng)的先進(jìn)程度和完善程度，為下一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步發(fā)揮激光觀測(cè)系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)，更全面的反應(yīng)大壩運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。1999年開(kāi)始對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行完善和升級(jí)工作。在原有13個(gè)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了20個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)1號(hào)壩段至33號(hào)壩段每壩段設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)與壩段號(hào)對(duì)應(yīng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)激光管和電源進(jìn)行了更換、對(duì)真空泵進(jìn)行重新布置、增加了兩個(gè)激光測(cè)控裝置、攝像裝置，定位坐標(biāo)裝置、激光和測(cè)點(diǎn)控制臺(tái)、自動(dòng)真空抽測(cè)裝置、真空泵冷卻水循環(huán)控制裝置，同時(shí)增加了雙金屬標(biāo)和倒垂線自動(dòng)觀測(cè)裝置等，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化操作。改造后人工觀測(cè)，33個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)只需25～30 min；計(jì)算機(jī)自動(dòng)觀測(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)需3 min左右，8次測(cè)值再取平均值。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)讀水平、垂直位移中誤差均小于0.25 mm，保持了太平哨真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)一貫的高精度。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，但是設(shè)計(jì)中的遠(yuǎn)程控制通訊系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的限制沒(méi)能得到應(yīng)用。

3.3 主壩第二條真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)

2004年4月，176m高程廊道內(nèi)的引張線運(yùn)行多年，由于設(shè)備老化，測(cè)點(diǎn)與壩體脫離，鋼絲觸碰保護(hù)管壁等原因，已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映壩體實(shí)際變化情況，經(jīng)批準(zhǔn)拆除引張線觀測(cè)系統(tǒng)，改造成真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，新系統(tǒng)全長(zhǎng)429 m，自3～29號(hào)壩段，每壩段設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共27個(gè)測(cè)點(diǎn)，并將管道與壩頂激光管道連接，共用壩頂激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的真空泵。此時(shí)主壩擁有兩條真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)管道。176 m高程真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)，新增加的觀測(cè)系統(tǒng)能通過(guò)壩頂激光室內(nèi)的工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)。系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)連續(xù)。

3.4 兩套激光系統(tǒng)升級(jí)改造

到2009年激光系統(tǒng)運(yùn)行近30年，與當(dāng)今的激光測(cè)壩技術(shù)系統(tǒng)相比，太平哨大壩激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)由當(dāng)初的全國(guó)先進(jìn)測(cè)壩系統(tǒng)，變?yōu)榧夹g(shù)相對(duì)落后的系統(tǒng)。同時(shí)，由于系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，部分電氣設(shè)備已出現(xiàn)老化問(wèn)題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成個(gè)別時(shí)段的缺測(cè)。鑒于上述問(wèn)題2009年3月開(kāi)始對(duì)兩套激光觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了大修，將系統(tǒng)升級(jí)為中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司生產(chǎn)的最新DB3200型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)。主要改造包括：

真空管路和抽真空系統(tǒng)改造：對(duì)整個(gè)真空激光管道、測(cè)點(diǎn)及真空泵進(jìn)行了大修，進(jìn)行了冷卻循環(huán)水路改造，真空控制柜采用帶有PLC控制器的新一代替換原有的抽真空控制箱。

接收端及測(cè)控部分：兩套激光系統(tǒng)接收端采用314萬(wàn)像素的USB攝像機(jī)，和帶有高精度網(wǎng)格具有校準(zhǔn)、定位功能的激光接收幕，將176 m高程廊道激光攝像機(jī)USB信號(hào)線，通過(guò)新鋪設(shè)的單模光纜延長(zhǎng)至壩頂接收端。更換測(cè)點(diǎn)控制模塊，壩上測(cè)控總線與176 m高程廊道激光等測(cè)控總線實(shí)現(xiàn)了并接，在并接處增設(shè)了RS-485集線器，實(shí)現(xiàn)了老系統(tǒng)、新系統(tǒng)在統(tǒng)一的新工控機(jī)下工作。

發(fā)射端部分：為更換調(diào)整激光管時(shí)方便，在發(fā)射端增設(shè)光斑監(jiān)視器。在監(jiān)視器上可以觀察到接收幕上的圖像，根據(jù)圖像調(diào)整激光管，非常方便，一個(gè)人可獨(dú)立快速完成。更換了點(diǎn)光源小孔，使新型帶外殼及保護(hù)電路的激光管可以在系統(tǒng)中使用。

遠(yuǎn)程控制部分：利用原有光纜將接收端與壩上觀測(cè)室建立了連接，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程控制。采集軟件具有遠(yuǎn)程控制功能，觀測(cè)數(shù)據(jù)可提交到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，在局域網(wǎng)內(nèi)任何位置（比如在寬甸）都可進(jìn)行采集操作及數(shù)據(jù)管理。

端點(diǎn)改正部分：新更換的垂線儀為CCD式，雙標(biāo)儀為光電步進(jìn)電機(jī)式，均帶有現(xiàn)場(chǎng)顯示功能。

其它部分：更換了兩端進(jìn)戶配電盤(pán)，消除了不安全隱患，并在觀測(cè)電源中增加了B+C級(jí)防雷模塊。

此次改造后，激光系統(tǒng)處在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，改造后大氣狀態(tài)抽氣至30 Pa需30 min，縮短到了抽氣時(shí)間。系統(tǒng)的抗雷擊性能增強(qiáng)，自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)精度更高、規(guī)律性更好，軟件操作簡(jiǎn)單，并且兩套系統(tǒng)經(jīng)整合后，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測(cè)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解放了人力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 激光系統(tǒng)測(cè)量成果

通過(guò)太平哨壩頂激光系統(tǒng)三十余年連續(xù)穩(wěn)定的觀測(cè)，數(shù)據(jù)顯示各測(cè)點(diǎn)具有一致的變化規(guī)律，壩體水平位移以年為周期，在每年2月份位移向下游達(dá)到最大值，8月份向上游達(dá)到最小值，壩體水平位移溢流壩段變幅5.89～10.33 mm、擋水壩段變幅0.67～7.05 mm；垂直位移各測(cè)點(diǎn)也具有一致的變化規(guī)律，隨氣溫呈周期性變化。每年1月底到2月初位移向下沉降達(dá)到最大值，7月底到8月初向上抬起達(dá)到最小值，溢流壩段變幅4.5～7.51 mm，擋水壩段變幅3.23～6.89 mm；所有壩段水平位移與垂直位移都存在時(shí)效變形，但量值極小。

5 總結(jié)

太平哨主壩真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)大壩原型監(jiān)測(cè)史上具有重要意義，真空激光準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)也已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行30年了，經(jīng)過(guò)多次升級(jí)改造，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)備的完善，目前采用的中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DB3200型系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人工觀測(cè)、自動(dòng)化觀測(cè)、自動(dòng)定時(shí)觀測(cè)、遠(yuǎn)程遙控觀測(cè)等多項(xiàng)功能，兩條激光系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量全程僅需36 min，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)多年與視準(zhǔn)線法水平位移測(cè)量、精密水準(zhǔn)沉陷測(cè)量相比較，變化規(guī)律一致，但激光系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)精度更高，過(guò)程線更加平滑。激光系統(tǒng)解決了大壩變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目觀測(cè)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、工時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)連續(xù)性與實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題，具有觀測(cè)精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、可全天候觀測(cè)、作業(yè)效率高、觀測(cè)人員要求低、設(shè)備維護(hù)量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，為保證大壩安全運(yùn)行和科研提供了寶貴的長(zhǎng)期可靠數(shù)據(jù)。